Couplage de lumière en espace libre à l’aide de micromiroirs courbes

Les micromiroirs sont des miroirs à l’échelle micrométrique qui sont largement utilisés dans de nombreuses applications, principalement dans les télécommunications à fibre optique, les scanners optiques et l’instrumentation optique. Les micromiroirs peuvent être intégrés au sein de puces photoniques, qui peuvent être vues comme les pendants miniaturisés des bancs optiques macroscopiques. Dans la communication optique, les micromiroirs sont des éléments de base importants pour les coupleurs croisés, les atténuateurs optiques variables et les lasers accordables à cavité externe. Dans toutes ces applications, l’efficacité du couplage de la lumière entrant et sortant de ces micromiroirs est un indicateur de performance clé régissant la qualité du signal. En instrumentation, les micromiroirs sont également des éléments constitutifs importants des interféromètres optiques et des résonateurs optiques. Dans ces cas, l’efficacité du couplage est également un indicateur de performance clé affectant les propriétés métrologiques.

Dans un article de recherche récemment publié dans le Journal des microsystèmes optiques, des chercheurs dirigés par Yasser Sabry de l’Université Ain Shams en Égypte ont analysé le comportement des micromiroirs en fonction de différentes caractéristiques, telles que la forme, la hauteur et la qualité de la surface. Ils ont également analysé l’impact du désalignement de la lumière incidente, en tenant compte à la fois du désalignement hors axe et du désalignement angulaire.

La grande majorité des micromiroirs sont plats, et la hauteur correspondante est généralement limitée à 80 μm en raison des contraintes de microfabrication. Au-delà de cette limite, la verticalité et la rugosité de la surface gravée se détériorent. Il faut maintenir la taille du spot lumineux plus petite que la hauteur du miroir pour obtenir un débit raisonnable. Des micromiroirs plus profonds sont hautement souhaitables, mais ils sont difficiles à fabriquer. Les micromiroirs courbes sont en principe plus intéressants que les miroirs plans, bien qu’ils soient plus difficiles à fabriquer. De nombreuses techniques récemment rapportées ont démontré la fabrication de tels micromiroirs avec des formes à la fois 2D et 3D. Les chercheurs ont donc proposé une analyse détaillée du potentiel de tels miroirs courbes.

Ils ont étudié en détail le couplage en espace libre de faisceaux lumineux gaussiens à l’aide de micromiroirs plats et courbes. Le contexte théorique et les effets non idéaux, tels que l’étendue limitée des micromiroirs, l’asymétrie dans la courbure des micromiroirs sphériques, les axes désalignés et les irrégularités de la surface des micromiroirs ont été analysés. Les formules dérivées ont été utilisées pour étudier et comparer théoriquement et expérimentalement le comportement de micromiroirs plats (1D), cylindriques (2D) et sphériques (3D). L’analyse s’est concentrée sur le régime de dimensions dans lequel le rayon de courbure du micromiroir courbe est comparable à la plage de Rayleigh du faisceau incident, correspondant également à une taille de spot de référence.

Les chercheurs ont dérivé un champ basé sur une matrice de transfert et des coefficients de couplage de puissance pour les systèmes micro-optiques généraux, en tenant compte de différents paramètres de matrice dans les plans tangentiel et sagittal du microsystème, en tenant compte des non-idéalités possibles. Ils ont présenté les résultats en termes de quantités normalisées de sorte que les conclusions restent générales et applicables à différentes situations. De plus, des micromiroirs en silicium ont été fabriqués avec des formes contrôlées et ont été utilisés pour valider expérimentalement l’efficacité du couplage dans les longueurs d’onde visibles et proches de l’infrarouge.